BF   Beamforming, Beam Forming   빔 형성, 빔 포밍

(2024-07-30)

TxBF, Transmit Beamforming,


1. 빔 포밍, 빔 형성 (Beamforming)

  ㅇ 다수 안테나에 의해, (또는, 어레이 안테나에 의해) 
     - 원하는 때 원하는 특정 방향 만으로 방사/수신하는, (즉, 원하는 지향성을 갖도록)
     - 전파 을 만들어내는 기술 

  ㅇ 특정 방향/패턴(모양)으로, RF 에너지집속2. 빔 포밍의 잇점

  ※ (빔 포밍은, 다중 안테나 기술에서, 운용 가능한 주요 기능 중 하나 임)

  ㅇ 공간 필터링 (Spatial Filtering)
     - 공간적인 필터링 기능이 가능 함 
        . (즉, 원하는 특정 방향으로 만 지향성을 높이는 등)

  ㅇ 공간 다중화 (Spatial Multiplexing)
     - 공간적으로 멀티플렉싱을 가능케 함 
        . (즉, 공간 채널 상에 여러 신호를 함께 결합시켜 보냄으로써 전송용량 증대)


3. 빔포밍의 구분

  ㅇ 고정,동적이냐에 따라,
     - 고정형 빔 포밍 : 섹터 안테나 등
        . Static Beamforming
     - 적응형 빔 포밍 : 스마트 안테나, MIMO 등
        . Dynamic Beamforming
        . Transmit Beamforming (TxBF) 

  ㅇ 구현 방식에 따라,
     - 단일 안테나에 의한 구현
        . 반사기, 개구 면적, 배플(Baffle,흐름 방향을 바꾸는 판) 등에 의해 지향성을 높힘
     - 배열 안테나에 의한 구현
        . 2 이상의 안테나 소자들을 동시에 사용 조정하여 지향성을 높힘


4. 동적인 빔포밍

  ㅇ 이의 구현을 위해, 시시각각 변하는, 채널 정보를 알 필요 있음

  ※ ☞ 채널 상태 정보 (CSI, Channel Status Information) 참조
     - 망(기지국)쪽에서 하는 채널추정, 스케줄링 등을 도와주기 위해,
     - 이동단말쪽에서의 지원 기능 => 무선 채널 상태에 대한 상향 피드백 보고 기능
     - 즉, 하향 링크상태에 대해, 단말측에서의 품질 측정 및 보고 기능 임


5. 빔포밍의 이득 (Beamforming Gain)어레이 이득 (Array Gain)
     - 채널 상태 정보에 따라 여러 송신기 중 가장 이득이 높은 채널 송신기로 송신하는 등
        . 채널 정보를 알고서 공간 신호처리를 통해,
        . 다중 채널전송되는 신호 중 원하는 수신 신호SNR를 최대화 가능

     - 전송 채널 상태 정보(CSI)의 송신기 쪽으로 귀환되는지 여부에 따라,
        . 개루프 방식,폐루프 방식으로 구분

  ㅇ 간섭 제거 이득 (Interference Reduction)
     - 여러 다중 경로를 통해 전송되는 신호 중 유난히 큰 간섭을 받는 경로 신호감쇠
       를 줌으로써 얻게되는 이득


6. [무선 LAN]  Transmit Beamforming (TxBF : 전송 빔포밍)전송 빔포밍 옵션은, 802.11n 에서, 처음 도입
     - 802.11ac 에서는, 802.11n 구현 경험에 따라, 해당 옵션이 크게 단순화됨

  ㅇ 반드시, 송신기는 MIMO 채널 정보를 알아야 함
     - 수신 능력 개선을 위해, 채널상태정보(CSI)에 입각하여, 
     - 송신 신호 진폭에 가중치 계수를 적용하게 됨

  ㅇ 특징
     - 주요 장점  :  저 비용, 저 복잡성으로, 장치의 링크 성능을 크게 개선할 수 있음

     - 안테나 기술이라기 보다는, 디지털 신호 처리 기술 임
        . 1 이상의 송신 안테나에, 같은 신호위상을 달리한 가중치된 신호를 송출하고,
        . 수신기에서는 수신 신호들을 합성하여, 최적 신호 수신이 가능케 함   ☞ MRC 참조

     - 전송 빔포밍은, 전송 안테나의 수가 공간 스트림의 수보다 많을 때 사용 가능

     - 전송 빔포밍은, 통상적으로 통신 장애 요인인 다중 경로 통신을 의도적으로 발생시킴
        . 그 결과, 신호잡음비(SNR)가 높아지고, 수신된 진폭이 증가하게 됨

     - 4 X 2 TxBF 例)
        . AP -> 무선노드  :  4 x 2  전송 빔포밍
        . 무선노드 -> AP  :  2 x 4  SDMMRC

  ㅇ 한편, 802.11n 표준은,
     - 송신 가중치 행렬을 결정하는 특정 접근 방식을 규정하지 않음
     - 다만, 가장 일반적인 접근 방식은, 특이값 분해(SVD)를 사용하여 송신 가중치를 계산하는 것임

  ㅇ 채널 측정 (Channel Sounding)
     - 무선 통신에서 송신기와 수신기 간의 채널상태정보측정,평가하는 과정
        . 수신기는, 패킷프리앰블 부분에 있는 HT-LTF로부터 채널추정함
           .. HT-LTF의 긴 훈련 심볼에 해당하는 각 공간 스트림에 대한 채널 추정을 계산함
     - 송신기는 사운딩 프레임전송하고, 
        . 수신기는 이 프레임을 수신하여 채널 상태추정
           .. 수신기는 자신이 추정채널 상태 정보를 송신기로 피드백 함

  ㅇ 위상 조정 (phase adjustment)
     - 송신기는 수신기로부터 피드백채널 상태 정보를 기반으로,
        . 각 안테나에서 전송신호위상진폭을 조정하여,
        . 수신기에서 신호가 최대한 강하고 명확하게 수신되도록 함

  ㅇ 피드백 종류
     - (전송 빔포밍 TxBF은, 송신기,수신기로부터의 암시적 피드백 또는 명시적 피드백에 의존)
        . implicit TxBF (암시적 피드백 : 802.11n 만 적용. 이후 버전에서는 미 적용)
        . explicit TxBF (명시적 피드백)

MIMO 성능 잇점
   1. MIMO 장점   2. 공간 다이버시티   3. 공간 다중화   4. 빔 형성  


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